吉木薩爾凹陷蘆草溝組上“甜點”段頁巖油儲層演化特征及差異性評價

彭壽昌，查小軍，雷祥輝，費繁旭，徐東升，高 陽

(1.中國石油新疆油田分公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.復雜油氣田勘探開發(fā)重慶市重點實驗室，重慶 401331)

0 引 言

近年來，國內(nèi)外非常規(guī)油氣資源勘探開發(fā)的步伐不斷加快，頁巖油作為一種重要的油氣資源而受到廣大學者的高度關注[1]。準噶爾盆地是中國陸相大型含油氣盆地之一，頁巖油氣資源豐富，在吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油勘探中取得了重大突破[2]：鄒才能等[3]利用場發(fā)射掃描電子顯微鏡與納米CT重構技術首次發(fā)現(xiàn)小于1 μm的油氣納米孔；汪賀等[4]通過掃描電鏡圖像分析、氣體吸附實驗以及X-CT三維數(shù)值重建模擬孔隙結構，提高了納米級微觀孔喉結構的表征精度；Slat等[5]采用納米CT掃描技術將Barnett頁巖孔隙分為粒間孔、粒內(nèi)孔及微裂隙等；Sok等[6]通過Micro-CT掃描成像等三維重構技術對頁巖儲層進行數(shù)值模擬表征。吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油作為中國頁巖油研究的熱點之一，受到諸多地質(zhì)學者的關注，但相關研究主要集中在蘆草溝組巖石類型、孔隙結構、沉積特征的描述等方面[7-10]，而對頁巖油儲層演化特征及儲層差異性的研究較為薄弱。在前人的研究基礎上，通過鏡下薄片鑒定、全巖X-衍射實驗及高壓壓汞實驗對吉木薩爾凹陷蘆草溝組上“甜點”段頁巖油儲層特征進行研究，探討上“甜點”段頁巖儲層發(fā)育的主控因素，對比分析不同巖性儲集層的測井響應特征，并從物性、孔喉結構以及測井響應特征方面對不同巖性儲層進行差異性分析，以期對吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油勘探及開發(fā)提供有利依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

吉木薩爾凹陷位于準噶爾盆地東部隆起帶的西南部，是在中石炭統(tǒng)褶皺基底上發(fā)展起來的一個西斷東超的箕狀凹陷[11](圖1)，整個凹陷均有油氣分布，且厚度較大，面積約為1 278 km2。蘆草溝組整體上表現(xiàn)為源儲一體、近源成藏、大面積連續(xù)分布等特征，具備形成致密油的良好條件[12]。目前，全區(qū)完鉆水平井30余口，直井40余口，全區(qū)日產(chǎn)油為388.4 t/d，累計產(chǎn)油22.92×104t，2018年產(chǎn)油為4.5×104t/a。其中，蘆草溝組上“甜點”儲層段厚度較大，試油見油率高，為有利勘探開發(fā)層段，此次研究的實驗樣品選自吉木薩爾二疊系蘆草溝組，目標層位為吉木薩爾二疊系蘆草溝組頁巖油上“甜點”段(P2l2)。

圖1 吉木薩爾蘆草溝組頂面構造

2 儲層特征

2.1 儲層巖石學特征

吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油儲層在成巖演化過程中，受咸化湖水和火山作用的影響，巖性復雜多變，礦物成分多樣[13]。巖心觀察、巖石薄片鑒定、掃描電鏡以及全巖X-衍射實驗表明，頁巖油儲層上“甜點”段巖石類型主要為砂屑云巖、長石巖屑砂巖、云質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖(圖2)，偶見灰色泥巖發(fā)育。其中，砂屑云巖、長石巖屑砂巖與云質(zhì)砂巖為主要儲集層。常見石英、斜長石、鉀長石、白云石、方解石等多種巖石礦物組分，同時還發(fā)育多種自生礦物，如碳酸鹽巖類、硅酸鹽巖類、黃鐵礦等。其中，長石平均含量為35.13%，石英平均含量為20.39%，白云石平均含量為19.66%，方解石平均含量為8.99%，而黏土礦物的平均含量相對較低，平均含量為8.55%。上“甜點”段巖石礦物組分相對含量在30 m深度范圍內(nèi)存在較大差異，并且在縱向分布上頻繁發(fā)生變化，表明上“甜點”段巖石類型及其組合規(guī)律復雜多變，同時反映了吉木薩爾蘆草溝組上“甜點”段頁巖油儲層發(fā)育一套粉細砂、泥及碳酸鹽巖混合沉積的混積巖。

圖2 吉木薩爾蘆草溝組上“甜點”段主要巖石類型

2.2 儲層物性特征

吉木薩爾凹陷蘆草溝組上“甜點”段頁巖油儲層整體孔滲相關性較差，反映了蘆草溝組上“甜點”段頁巖油儲層孔滲關系復雜。蘆草溝組上段孔隙度為0.49%～21.80%，主要集中分布在6.00%～20.00%，平均為11.91%；滲透率為0.001～1.240 mD，主要集中分布在0.001～0.020 mD，平均為0.270 mD。

上述研究表明蘆草溝組上“甜點”段頁巖油儲層巖石物性差，為致密儲層，整體上表現(xiàn)為低孔低滲的儲層物性特征。

2.3 儲集空間類型

吉木薩爾凹陷蘆草溝組上“甜點”段頁巖油儲層儲集空間類型多樣，主要為原生孔隙和次生孔隙，局部可見少量微裂縫發(fā)育。原生孔隙主要為剩余粒間孔，孔隙邊界清晰，顆粒之間未被雜基和膠結物充填，是儲層中重要的儲集空間之一；次生孔隙主要由溶蝕作用產(chǎn)生，可見長石粒內(nèi)溶孔、鈉長石晶間孔、白云石晶間孔、粒內(nèi)雜基和巖屑粒內(nèi)等溶孔，普遍發(fā)育于儲層的大部分巖性中，是儲層中最主要的孔隙類型；研究區(qū)局部可觀察到微裂縫，但相對不發(fā)育，偶見由粒間雜基縮水產(chǎn)生的收縮縫以及壓實作用產(chǎn)生的顆粒內(nèi)裂縫。

通過大量樣品統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，吉木薩爾蘆草溝組上“甜點”段頁巖油儲層主要發(fā)育4類儲集空間，即剩余粒間孔、晶間孔、溶蝕孔和微裂縫，晶間孔和溶蝕孔較為發(fā)育，剩余粒間孔和微裂縫次之，有機孔發(fā)育程度相對較低(圖3)。

圖3 吉木薩爾蘆草溝組上“甜點”段頁巖油儲層儲集空間類型

3 頁巖油儲層成因機理

3.1 儲層發(fā)育控制因素

3.1.1 沉積環(huán)境

沉積物在不同沉積環(huán)境和沉積相帶下的發(fā)育特征有所不同，主要表現(xiàn)在沉積物的分選性、磨圓度、粒度等各項指標差異上，從而直接影響儲集層的發(fā)育特征[14]。吉木薩爾蘆草溝組沉積時期發(fā)育一套咸化湖泊—扇三角洲沉積體系，其中，二疊系蘆草溝組頁巖油上“甜點”段P2l2主要發(fā)育于凹陷東斜坡，厚度為13.4～43.0 m，平均為33.0 m，沉積類型主要為淺湖相、濱淺湖相、濱湖相夾云泥坪相，沉積了一套咸化湖泊準同生白云巖化的混積巖。同時，上“甜點”段在沉積時期經(jīng)歷了一次局部水退—水進的過程，導致物源供給差異較大，水體發(fā)生變化，巖性復雜多變。

3.1.2 巖石類型

吉木薩爾凹陷蘆草溝組的沉積物源主要來源于周邊的古隆起，受不同成巖作用的影響，頁巖油儲層巖性復雜，礦物成分及含量多變，與其他盆地細粒沉積巖類致密油儲層存在明顯差異，長石巖屑砂巖、云質(zhì)粉砂巖和砂屑云巖是上“甜點”段的主要巖石類型，儲集性能較好。

3.1.3 成巖作用

吉木薩爾蘆草溝組上“甜點”段頁巖油儲層在埋藏成巖過程中成巖作用類型復雜多樣，對儲層物性和孔隙發(fā)育影響最大的是壓實作用、溶蝕作用、膠結作用和交代作用。巖石薄片鏡下特征和掃描電鏡研究表明，研究區(qū)儲層巖石礦物組分復雜，膠結物類型多樣，以方解石膠結、白云石膠結、硅質(zhì)膠結和黏土礦物膠結為主，部分碳酸鹽膠結物充填于粒間孔隙，導致儲層物性變差[15]。同時，在鏡下觀察發(fā)現(xiàn)大多數(shù)長石、方解石、白云石等礦物均發(fā)生溶蝕分解，溶蝕現(xiàn)象普遍存在，大量微米、納米級孔隙發(fā)育，提高了儲集性能(圖3)。

3.1.4 裂縫

裂縫的存在能直接影響儲層中油氣的富集規(guī)律及開發(fā)效果。巖心觀察和鑄體薄片觀察發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)構造裂縫的發(fā)育相對較少，裂縫密度普遍較小，僅J174、J34井的構造縫密度相對較大，偶見少量層間收縮縫和溶蝕孔縫。因此，研究區(qū)裂縫發(fā)育程度較低，難以形成復雜縫網(wǎng)。

3.2 頁巖油儲層演化

3.2.1 成巖作用類型

3.2.1.1 壓實作用

研究區(qū)總體上表現(xiàn)為顆粒間點-線接觸，壓實作用中等。泥晶云巖組分單一，呈塊狀結構，壓實作用相對較強，部分微孔隙發(fā)育，而灰質(zhì)云巖中的條帶狀、團塊狀的長英質(zhì)礦物在壓實作用之后呈定向性排列。隨著碎屑組分石英的含量增加，孔隙度有所增加，壓實作用減弱，云質(zhì)粉砂巖中礦物顆粒呈明顯的線接觸，砂質(zhì)云巖的壓實強度中等，磨圓較差，顆粒間主要以線接觸為主。

3.2.1.2 溶蝕作用

在酸堿流體交替溶蝕改造作用下，研究區(qū)具有明顯的溶蝕現(xiàn)象，其中以長石溶蝕最為顯著，儲層物性得到極大地改善。通過鏡下觀察，砂屑云巖和灰質(zhì)云巖中的石英、長石礦物顆粒表面或邊緣均發(fā)生了不同程度的溶蝕現(xiàn)象，白云石晶間孔隙較為發(fā)育，被有機質(zhì)充填，長英質(zhì)礦物定向分布，見少量鐵白云石晶粒均勻分布，粒間微孔呈定向分布(圖4a)。云質(zhì)砂巖的溶蝕作用較為強烈，巖石內(nèi)的顯微晶狀黏土礦物、長英質(zhì)礦物及顯微粒狀白云石礦物相間分布，粒間微孔(縫)具有定向性，大多數(shù)孔隙常被有機質(zhì)充填(圖4b)。

3.2.1.3 膠結作用

不同巖性的膠結物類型存在較大差異，研究區(qū)發(fā)育大量白云石、方解石、自生石英、自生鈉長石和黏土礦物，主要以方解石膠結、黏土礦物膠結和硅質(zhì)膠結為主。其中，砂屑云巖膠結作用明顯，主要表現(xiàn)為亮晶方解石和黃鐵礦晶體集合體呈團塊狀分布。云質(zhì)粉砂巖主要以方解石或鐵白云石膠結為主，黃鐵礦晶體及方解石集合體呈團粒狀及斑塊狀分布，局部可見長石顆粒溶蝕土化，表面相對較臟(圖4c)。長石巖屑砂巖顆粒呈點-線接觸，膠結類型多為孔隙式-接觸式膠結，可見方解石晶體被擠壓于碎屑顆粒之間以膠結物形式產(chǎn)出，黃鐵礦晶體集合體呈圓粒狀充填于粒間孔隙中(圖4d)。

3.2.1.4 交代作用

交代作用主要表現(xiàn)為方解石、鐵白云石、黏土礦物等交代長石碎屑顆?；螂s基，不同巖性表現(xiàn)特征存在較大差異。通過鑄體薄片觀察可知，研究區(qū)方解石交代長石碎屑強烈，局部可見長石加大，多數(shù)長石碎屑沿解理縫被方解石交代，呈長石假象(圖4e)。長石巖屑砂巖部分斜長石鐵白云石化嚴重，局部可見粒間充填于白云質(zhì)和黏土雜基(圖4f)。長石砂巖主要表現(xiàn)為顆粒斜長石被黏土礦物交代，部分泥巖碎屑綠泥石化，可見長石、石英次生加大現(xiàn)象。

圖4 吉木薩爾蘆草溝組上“甜點”段頁巖油儲層不同成巖作用特征

3.2.2 成巖演化階段及孔隙演化

通過上述儲層特征的研究可知，研究區(qū)剩余原生粒間孔隙逐漸減少，溶蝕孔和晶間孔發(fā)育，局部可見少量微裂縫發(fā)育，泥晶云巖和砂質(zhì)云巖的機械壓實作用較弱，顆粒之間主要以點-線接觸為主，剩余粒間孔、粒內(nèi)溶孔和粒間溶孔為主要的孔隙類型，長石巖屑砂巖和碳酸鹽類的壓溶現(xiàn)象明顯，長石溶孔相對發(fā)育，可見亮晶方解石。通過巖石顆粒接觸方式和孔隙類型大致推斷出研究區(qū)處于早成巖B—中成巖A晚期。

結合鏡質(zhì)體反射率Ro、最大熱解峰溫Tmax和有機質(zhì)熒光特征等各項資料，綜合分析研究區(qū)的埋藏深度和自生礦物分布。結果表明，研究區(qū)目的層段埋藏深度約為3 150～3 460 m，早成巖階段碎屑顆粒呈點狀接觸，剩余粒間孔隙較為發(fā)育，直至中成巖A期，碎屑顆粒主要以點-線接觸為主，次生孔隙發(fā)育。研究區(qū)目的層段的鏡質(zhì)體反射率Ro為0.53%～0.96%，最大熱解峰溫Tmax為436～460 ℃，有機質(zhì)熒光多呈綠色、淺黃色。根據(jù)J174井的薄片鑒定、全巖X-衍射實驗和電子探針資料分析結果可知，碎屑長石、石英顆粒溶蝕明顯，礦物成分復雜，方沸石具有溶蝕現(xiàn)象，可見連晶式-亮晶方解石膠結，局部方解石化、鐵白云石化嚴重。依照碎屑巖成巖階段劃分標準，結合巖石類型、成巖作用及孔隙結構特征的研究結果，認為吉木薩爾凹陷蘆草溝組上“甜點”段主要處于早成巖階段和中成巖階段A期。

在成巖作用類型及成巖階段劃分的研究基礎上，綜合分析研究區(qū)的成巖演化序列，并定性分析孔隙演化模式。吉木薩爾凹陷蘆草溝組頁巖油儲層早成巖早期剩余粒間孔隙發(fā)育，顆粒主要是以點-線接觸為主，石英、長石顆粒堿性溶蝕。由于早期生烴排放出大量酸性流體，促進了長石、碳酸鹽礦物溶蝕，有利于次生孔隙形成，壓實作用逐漸受到抑制。直至中成巖A早期，亮晶方解石呈連晶式結構，長石、方解石化嚴重，方解石、鐵白云石膠結作用強烈，溶蝕孔隙發(fā)育。中成巖A晚期大多數(shù)斜長石被方解石、鐵白云石和黏土礦物交代，部分泥巖碎屑綠泥石化，石英加大現(xiàn)象明顯(圖5)。

圖5 吉木薩爾蘆草溝組上“甜點”段頁巖油儲層成巖序列及孔隙演化模式

4 儲層差異性評價

4.1 儲層評價依據(jù)

綜合上述研究可知，吉木薩爾蘆草溝組上“甜點”段頁巖油儲層控制因素包括沉積環(huán)境、巖石類型、成巖作用等，沉積環(huán)境和巖石類型是優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育的基礎，成巖作用是促進儲層物性的分異，而裂縫能對儲層物性進行改善。此次研究針對不同巖性儲集層物性、孔喉結構和測井響應特征等方面進行對比分析，比較不同巖性儲集層之間的差異。

4.2 儲層差異性分析

根據(jù)不同巖石樣品的孔滲數(shù)據(jù)和孔喉結構參數(shù)統(tǒng)計結果，結合J174井的測井響應特征(圖6)，最終對3類主要儲集層(長石巖屑砂巖、云質(zhì)粉砂巖和砂屑云巖)物性、孔喉結構參數(shù)和各項測井值進行對比分析(表1)。

表1 不同巖性儲集層物性、孔隙結構參數(shù)及測井響應差異

圖6 J174井測井解釋綜合柱狀圖

總體來看，不同巖性孔隙結構差異較大，長石巖屑砂巖類最好，砂屑云巖次之，云質(zhì)砂巖相對較差，但云質(zhì)砂巖的儲集性能比砂屑云巖的更好。粉砂巖、云巖類呈低伽馬、低中子、高密度特征，其中云巖的密度較粉砂巖的密度更高，砂屑云巖呈高阻、云質(zhì)砂巖呈中低阻、長石巖屑砂巖呈低阻特征。

5 結 論

(1) 吉木薩爾蘆草溝組上“甜點”段頁巖油儲層主要發(fā)育淺湖—半深湖沉積體系，受準同生及調(diào)整白云石化等作用的影響，儲層巖性多變，礦物成分復雜，成巖作用較為復雜。巖石類型主要為砂屑云巖、長石巖屑砂巖、云質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)云巖及灰色泥巖，儲層物性相對較差，整體上表現(xiàn)為低孔低滲，溶蝕孔和晶間孔為蘆草溝組上“甜點”段的有利儲集空間。

(2) 吉木薩爾蘆草溝組上“甜點”段頁巖油儲層發(fā)育的主要控制因素包括沉積環(huán)境、巖石類型、成巖作用及裂縫。其中沉積環(huán)境決定巖石分布范圍，影響早期孔隙的發(fā)育，砂屑云巖、長石巖屑砂巖與云質(zhì)砂巖為主要巖石類型，儲集性能相對較好，構造裂縫發(fā)育程度較低，難以形成復雜縫網(wǎng)，壓實作用在成巖早期制約儲層孔隙的發(fā)育，而溶蝕作用決定次生孔隙的形成，提高了儲集性能。

(3) 吉木薩爾蘆草溝組頁巖油儲層主要處于早成巖B期—中成巖A期，早成巖階段剩余粒間孔隙發(fā)育，石英、長石顆粒部分堿性溶蝕，由于早期生烴排放大量酸性流體，長石、碳酸鹽礦物溶蝕，壓實作用受到抑制；直至中成巖階段，亮晶方解石呈連晶式結構，長石、方解石化嚴重，部分方解石、鐵白云石發(fā)生膠結作用現(xiàn)象，大多數(shù)斜長石被方解石、鐵白云石和黏土礦物交代，部分泥巖碎屑綠泥石化，石英加大現(xiàn)象明顯。

(4) 吉木薩爾蘆草溝組上“甜點”段不同巖性儲集層孔隙結構差異較大，其中長石巖屑砂巖類孔隙結構最好，云質(zhì)砂巖相對較差，但云質(zhì)砂巖的儲集性能比砂屑云巖好。